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菏泽西门子总代理商
产品时间:2021-04-21
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智能堤坝保平安

 

从绝妙的创意到即将成型的产品:Bernhard Lang是西门子堤坝监测系统的。

借助采用智能数据评估技术的学习系统,人们可以对至关重要的基础设施进行实时监测。一个深知哪些要素可确保堤坝坚不可摧的新型早期预警系统,能够挽救宝贵的生命。

堤坝开始移动。护坡草皮从坝体外墙剥落、下滑。然后,坝底粘土层开始升高。有几秒钟时间,坝体仿佛从内向外膨胀,像气球一样鼓了起来。紧接着,压力急遽升高,粘土层断裂,棕色的洪流从由此形成的深邃裂缝中喷涌而出,冲向堤坝前方的草原。下方地面塌陷之后,放置在堤坝顶部的水箱即歪歪扭扭地沉入裂缝。决堤现象,发生了。

在决堤真正发生之前,这一幕将首先出现在平板电脑上

2014年自然灾害

Bernhard Lang的脸上露出了满意的笑容。决堤实验成功地证明,Lang开发的防洪早期预警系统是奏效的。Lang是西门子的一名工程师,4年前,他开始与来自俄罗斯的研究人员合作,开发这套系统。Lang的想法是“开发某种能够防洪的东西。”他研制的堤坝监测系统现已准备投放市场。

实验中,这个*的系统可提前计算出坝体溃决的确切部位,精确度可达到最后一米。此外,这个系统甚至能展示溃决的过程。在“决堤”发生前几天,Lang在其平板电脑调出的堤坝虚拟横截面上,显示了一块鲜红色的区域。红色意味着标记区域内的材料将滑落。在系统预测的时间,所发生的正是这种情况。在这个实验中,研究人员平静地观察着微小的裂缝逐渐扩大,直至达到事先确定的决堤点。研究人员甚至可通过同时从多个侧面利用水对受测堤坝施加压力,引发决堤。实际上,他们可以提前数星期甚或数月,确切探知哪里的情况会变得十分危急,必须加固或重建堤坝的哪些部位。

极端天气形势要求复杂的保护措施

全球自然灾害分布图

自从建起*座堤坝以来,人们就一直想要预测这种保护其人身和基础设施安全的堡垒,什么时候会破裂。如今,人们越来越迫切地需要具备这种能力。在欧洲,三分之二以上的城市已经不得不定期采取措施来保护居民和工业设施免受洪灾侵袭——不仅是沿海城市,那些依河而建、饱受泛滥之灾的城市,也都面临着这种处境。日益频发的气候变化导致了极端天气,有关当局更紧迫地需要借助可靠的系统来保护居民和基础设施。

全球自然灾害

2013年,全球自然灾害造成的全部损失中,有37%左右与洪灾有关,比1980年以来数十年间的平均值22%高得多。过去,荷兰遭遇的洪灾格外频繁。荷兰全国四分之一以上的陆地低于海平面,其领土的60%可能受洪灾影响。这些区域生活着许多人,占荷兰经济产值的80%。

“有时候我禁不住纳闷,为什么我们荷兰人过去要将所有重要建筑物修建在海平面以下的地方?”Peter Jansen开玩笑道,他是Waternet Amsterdam公司——阿姆斯特丹的自来水公司——的一名部门负责人。Waternet公司负责大阿姆斯特丹地区长达1000多公里的堤坝。这些堤坝所守护的700平方公里的土地上生活着100多万人。除保障饮用水供应及处理污水外,Waternet公司还代表地方水文局Amstel, Gooi en Vecht开展防洪防汛工作。尽管监测堤坝是Waternet公司的常规任务之一,但它从未能像现在这样精确地执行这项任务。

Waternet Amsterdam公司利用西门子技术,对阿姆斯特丹的一座绵延5公里的堤坝进行监测。(图片来源:Google/Waternet)

Jansen解释道,“到目前为止,取决于其建筑材料,我们每隔5到30年,会对堤坝进行一次维护。”平面图揭示了每座堤坝的构造,哪些部位是由沙、粘土、泥炭或土壤构成的。过去,检查员不得不定期对堤坝进行测量,以核查其稳定性。Jansen表示,“那时候,每隔几年,就会有几位专家驱车前往堤坝进行实地勘查,并将测量仪器安装到地下。”操作人员必须向地方当局报告检查结果。Jansen说:“我们负责维护堤坝的稳固。”

每隔一分钟传送实时数据

如今,Jansen每隔一小时就能在他的手机上收到这些信息。如果数据中有值得注意的地方,Jansen甚至可以将消息发送频次提高至每分钟一次。这是否意味着所有堤坝的检查间隔都从30年缩短到了60秒?那倒未必。因为,迄今为止,仅在阿姆斯特丹5公里长的Ringdijks堤坝上,安装了这个由Lang及其在西门子中央研究院的同事共同开发的早期预警和监测系统。Waternet公司是这个系统的试点客户。Jansen还可以要求这个系统在曲线图上显示关于堤坝特定区段、特定地点的实时信息,或者自动将历史数据合并到一个图表中。这个系统的发明者Bernhard Lang解释道,“所有数据都在这个系统里,可以按我们想要的任何方式加以合并。”

这些数据是由按100米间距部署在堤坝内的传感器采集的。这些传感器散布于水面上方和下方,它们负责测量堤坝内部的温度、压力和湿度,以及泄洪道的水深和水温。传感器和通信装置连接——一些配备了SIM卡的小盒子。通信装置则利用GPRS移动无线通信服务,将数据发送至位于德国Karlsruhe的中央控制室。中央控制室将这些不起眼的初步测量结果从原始数据转换为智慧数据,以便发送至任何移动终端。

如果系统测得堤坝内部温度达到14摄氏度,那么,这可能意味着什么地方出了差错,因为地下水温度约为8摄氏度,堤坝内部也应当是这个温度。温度偏高可能意味着有温度较高的水从外部渗入。但在系统发出告警之前,它首先会将实时数据,与诸如地下水深度、每年这个时候受影响区域内的正常降水量,以及该区域最近是否发生旱情从而导致堤坝蓄水量增加等预训知识进行比对。

西门子工程师Bernhard Lang(左)与Waternet公司的Haroen Lemmers(右)正在操制水下传感器的连接。

Lang解释道,“堤坝如同具有生命的有机体。它会膨胀和收缩。水渗入堤坝这一事实,并不一定意味着存在任何危险。”正因如此,研究人员也需要了解受影响区域内的堤坝的建筑材料,因为这样他们才能确定坡面的稳定系数。这其中涉及多个因素。但得益于采用新传感器数据、学习系统持续不断采集的长期数据,以及数学模型,这些因素将被合并成一个奇妙的统一整体。

做到这一点,全靠能分辨出一般偏差和异常状况的神经网络。20世纪90年代末期,当时的西门子神经计算部门开发了有关软件。从那以后,这款软件的稳定性得到了不断提高。如今,这款软件可以抽取并推算在沿堤坝的关键点所采集的数据。假若条件相同的话,这个系统可以根据其知识,推断出关于并未安装传感器的堤段的精确结论。

彩色区域表示危险地带



依水而建的城市:阿姆斯特丹市中心

经过处理,监测数据被转换为图表和直观的二维彩图,以便客户能看清堤坝的哪些区段存在洪灾隐患。西门子解决方案还能进行场景演示,以表明如果水位升高或压力增大,在特定时刻会发生什么情况。此外,它还能显示如果堤坝是一段有重型卡车行驶的道路,情况会变得多么糟糕。

Jansen说:“当然,我们总是不得不应对这样的问题。然而,我们过去所掌握的信息是理论上的、不精确的。现在,这些信息则是具体而又精确的。”Jansen认为,由于不确定堤坝内部究竟发生了什么,人们有时不必要地采取了大规模的安防措施。他说:“这样的措施成本高昂——建造一段一公里长的新堤坝,至少需要100万欧元的成本。但这些堤坝甚至也不安全,因为人们掌握的数据实在太少了。”

成本最多降低20%

Jansen预计,在使用了西门子技术的区域,Waternet公司将能每年节约至少20%的维护成本。尽管削减了成本,Waternet公司却能收到更多、更好的信息。从长远来看,Jansen希望在更多堤坝区段安装传感器。“当然,我们不能在每个地方都安装传感器,因为这样做的成本太高。但我们可以选择某些典型区域,并从在这些区域获得的数据中提炼信息。可靠的智慧数据是我们保护生命的工具。”

电气化高速路:*段公共道路

 

图中所示为德国Groß Dölln的电气化高速路延长测试段上的行驶场景

很快,得益于西门子正在加利福尼亚州Carson架设的适用于电动和混合动力卡车的高架线缆,卡车将在集电器的驱动下,首次在公共道路上行驶。这次测试将为最多4辆测试卡车双向供电,以使之沿着两英里长的电气化高速路系统行驶,而不排放任何废气。对这项技术的实地测试,将于2016年年中进行。这个项目是由西门子与沃尔沃集团子公司Mack Trucks及电能转换技术专家Transpower合作开展的。

专家称,到2050年,货运量将增加两倍。因此,尽管铁路系统不断扩建,未来道路上行驶的卡车数量仍将比现在多得多。每天,都有成千上万辆卡车前往洛杉矶和长滩的港口,一段每天来来往往约3.5万辆卡车的30公里路段,显得格外拥堵。预计到2035年,沿这条路线行驶的卡车数量,还将增加近两倍,为此,港务局正在寻求零排放交通解决方案。正因如此,目前南海岸空气质量管理区(SCAQMD)很想确定电气化高速路系统是否适合在Interstate I-710路段上投入商业使用。测试卡车也可在实际条件下被整合到运输公司的车队中。

HGV始终由电机驱动。在电气化路线上,电机从高架电车线获得电能。受电弓将电能从高架电车线输送至HGV的电力动力总成系统。

效率是柴油卡车的两倍

电气化高速路系统是西门子专为繁忙的货运路线而开发的高能效、低排放解决方案。这个系统由道路高架线缆,以及配备了智能集电器的电动或混合动力的卡车构成。车顶上的传感器可以识别出是否有高架线缆,并且可以自动将卡车连接至高架线缆,或从其上断开。有了它们,卡车还可以更换车道,以便以最高90公里的时速超车。当有高架线缆可用时,卡车不会排放任何废气。在常规路段上,取决于所配备的动力总成系统,卡车将切换为柴油、天然气或电池运行模式。归功于更高效的电力动力总成系统,电气化高速路系统的能效约为80%,这大约是柴油卡车的两倍。此外,高架线缆的输电效率高达99%。事实上,卡车可将回收的制动能量输送回电网,这进一步提高了电气化高速路系统的能效。

自2011年起,西门子便开始在ENUBA研究项目项下开发电气化高速路系统。2011年,西门子使用柴油-电动卡车,在测试路线上展示了这个概念的可行性。目前,ENUBA 2的项目伙伴正在考察这项技术是否适合日常使用。它们开展了许多研究,包括执行曲线测试,以及将这项技术集成到牵引装置中,以拖动常规半挂车的解决方案检测。在加利福尼亚州,目前正首次在公共道路上架设电气化高速路系统。对这个系统进行测试,将采用配备电池-电动、柴油-电动和天然气-电动等多种不同动力总成系统的卡车。

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